Conception d'émetteur-récepteur optique pour les PON TDM

- Mar 11, 2019-

Conception d'émetteur-récepteur optique pour les PON TDM


L'émetteur-récepteur optique (émetteur et récepteur) utilisé pour la conversion optique-électrique est un composant clé des systèmes de communication optiques. Dans un système PON, un émetteur et un récepteur optiques au niveau du terminal de ligne optique (OLT) ou des unités de réseau optique (ONU) sont généralement emballés ensemble pour former un sous-ensemble optique bidirectionnel (BOSA).

La figure ci-dessous présente l'architecture de l'émetteur-récepteur optique pour une terminaison OLT et des unités ONU. Le sous-ensemble optique de l'émetteur (TOSA) comprend un laser à semi-conducteur (laser Fabry-Perot ou laser DFB) et un pilote laser. Le sous-ensemble optique de récepteur (ROSA) comprend une photodiode (PIN ou APD), un amplificateur à transimpédance, un amplificateur de limitation et un circuit de récupération d'horloge et de données. Outre TOSA et ROSA, un duplex ou un tripex (filtre WDM) est utilisé pour séparer les longueurs d'onde en amont et en aval. Le duplex ou triplex est généralement un filtre à couche mince, mais les filtres optiques (par exemple, un réseau de Bragg ou un interféromètre de Mach-Zehnder) basés sur des circuits à ondes lumineuses planaires deviennent une option privilégiée, car les circuits à ondes lumineuses planaires sont plus compacts, plus fiable et plus facile à assembler avec TOSA et ROSA. Alors que les PON TDM sont déployés à grande échelle, des efforts considérables ont été consacrés à la conception d’un émetteur-récepteur optique offrant des performances améliorées, un coût inférieur et une meilleure fiabilité. Les principaux défis du développement d'émetteurs-récepteurs optiques pour les applications FTTx sont un niveau d'intégration plus élevé, un conditionnement économique et des technologies de transmission optique en mode rafale dans la liaison en amont. Pour l’intégration et l’emballage, les émetteurs-récepteurs optiques évoluent vers des circuits en ondes planaires et des circuits intégrés photoniques monolithiques.

Bloc émetteur-récepteur optique

Transmission optique en mode rafale

Dans un système TDM PON, tous les utilisateurs partagent la même infrastructure fibre d'un OLT au nœud de distribution. Dans le sens descendant, les paquets de données sont diffusés à toutes les unités ONU. Les émetteurs OLT et les récepteurs ONU fonctionnent en mode continu, où la synchronisation est maintenue à tout moment. Même s'il n'y a pas de données à envoyer aux unités ONU, l'émetteur OLT doit transmettre des modèles de bits inactifs de sorte que le récepteur des unités ONU puisse extraire l'horloge en continu du signal aval. Toutefois, dans le sens amont, tous les utilisateurs doivent être évités lors de la transmission en amont, de sorte qu’à tout moment, un seul paquet (à partir d’une unité ONU) est autorisé à atteindre le bureau central. La terminaison OLT coordonne la transmission en amont et planifie le temps de transmission pour chaque unité ONU. Lorsqu'une unité ONU souhaite envoyer des données à la terminaison OLT, elle transmet une rafale de données dans le délai imparti par la terminaison OLT, puis éteint complètement son émetteur afin d'éviter toute interférence avec la transmission en amont des autres unités ONU. Les rafales de données de différentes unités ONU qui se suivent jusqu'au récepteur du central sont séparées par un certain temps de garde. Ce type de transmission est appelé transmission en mode rafale.

Voici une figure qui compare les formats de données d'une transmission en mode continu et en mode rafale. Un émetteur en mode rafale à chaque unité ONU et un récepteur en mode rafale au bureau central sont indispensables. Un récepteur en mode rafale situé au bureau central doit disposer de diverses plages d’entrée abordables et de délais de verrouillage d’horloge rapides. D'autre part, un émetteur en mode rafale, situé du côté de l'utilisateur, doit afficher un temps de mise en marche rapide ainsi qu'une bonne suppression de la puissance pendant les périodes d'inactivité. Concevoir un émetteur-récepteur optique en mode rafale haute vitesse est nécessaire et difficile lors du déploiement de réseaux optiques passifs.

Transmission en mode rafale

Pilotes laser en mode rafale

Un émetteur en mode rafale doit afficher un temps de démarrage rapide ainsi qu'une bonne suppression de la puissance. Les défis de conception pour les pilotes de modulateur / laser en mode rafale sont les temps de montée et de descente et le contrôle automatique de la puissance. Les circuits de commande classiques sont conçus pour maintenir un courant et une tension de polarisation constants. Cependant, une bonne suppression de la puissance optique à l'état de repos nécessite que la polarisation soit désactivée rapidement. Les circuits de commande doivent être conçus de manière à offrir des performances d'activation / désactivation courtes. Pour le contrôle automatique de la puissance, les circuits classiques utilisent souvent des filtres analogiques à photodiode et / ou à moniteur lent pour moyenner le signal et une boucle de contrôle analogique à des boucles de contrôle analogiques. Il est nécessaire de surveiller la sortie optique échantillonnée aux points appropriés de la forme d'onde en rafale.

Récepteurs en mode rafale

Les récepteurs optiques classiques ne peuvent pas être utilisés pour la détection en mode rafale, car ils ne sont pas en mesure de gérer instantanément divers paquets arrivant avec de grandes différences de puissance optique et d'alignement de phase. Il est donc nécessaire de concevoir des récepteurs capables de s’adapter à la variation de la puissance optique et de l’alignement de phase paquet par paquet. Les défis de conception pour les récepteurs en mode rafale sont la récupération dynamique de la sensibilité, la récupération de niveau et la récupération rapide de l'horloge.

Lorsqu'une rafale faible suit une rafale forte, il est difficile de détecter le signal faible. La récupération de sensibilité dynamique est nécessaire pour la détection du signal faible. La récupération de la faible rafale est limitée par les effets de transport de la porteuse à photodiode, les vitesses de balayage et de charge de l'amplificateur et par des effets de contrôle automatique du gain non intentionnels.

Pour la récupération de niveau, un récepteur en mode rafale peut être conçu avec une structure à rétroaction ou à anticipation. Pour la conception à rétroaction, un amplificateur différentiel transimpédance entrée / sortie et un circuit de détection de crête forment une boucle de rétroaction, alors que dans la conception à anticipation, le signal provenant du préamplificateur est transmis à un circuit de détection de crête. Les deux conceptions ont été mises en pratique. Une structure de retour permet au récepteur de fonctionner de manière plus fiable, mais un préamplificateur entrée / sortie différent est nécessaire. Un récepteur à anticipation a un temps de réponse plus rapide et un préamplificateur classique couplé peut être utilisé, mais le circuit doit être conçu avec soin pour éviter les oscillations du récepteur. Les circuits de récupération de niveau avec une conception simple et robuste et de bonnes performances restent un problème ouvert qui nécessite des investigations supplémentaires.

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